Väitöstiedotteet - Tampereen teknillinen yliopisto

Ajan suurentaminen valaisee ultranopeiden ilmiöiden fysiikkaa

Sekunnin miljoonasosan miljoonasosan kestävien valopulssien mittaaminen vaatii tutkijoilta uusia lähestymistapoja. Mikko Närhi kehitti väitöstyössään työkaluja ultranopeiden valopulssien entistä tarkempaan mittaamiseen.

Ultranopeat pulssittavat laserit pystyvät tuottamaan jo helposti alle pikosekuntin kestäviä, fotoneista koostuvia energiapaketteja. Näiden esimerkiksi laserprosessoinnissa ja tutkimuksessa käytettyjen laserien toiminta perustuu epälineaarisen optiikan ilmiöihin, joissa materiaalin elektronit menevät niin hämilleen niitä ohjaavan valopulssin energiasta, että saattavat tuottaa esimerkiksi valoa täysin uusilla aallonpituuksilla.

– Tämä olisi hyvin poikkeuksellista normaaliolosuhteissa – kuvittele, että ohi kulkevan auton väri näyttäisi sinulle erilaiselta riippuen siitä, että katsotko autoa toimistosi ikkunan läpi vai ajaako se vierestäsi suojatiellä, Närhi kertoo.

Pohjimmiltaan moni luonnonilmiö on kuitenkin epälineaarinen, kunhan niitä häiritään tarpeeksi voimakkaasti. Epälineaarisuus on myös usein ongelmallista, sillä se saattaa tehdä ilmiön täysin ennustamattomaksi. Tällöin pienikin muutos alkutilanteeseen saattaa aiheuttaa varsin erilaisen lopputuloksen perhosvaikutusmaisesti. Näin voi tapahtua esimerkiksi ultranopeiden pulssien edetessä optisissa kuiduissa, jolloin tarpeeksi energeettinen pulssi hajoaa spontaanisti useiksi pieniksi pulsseiksi täysin sattumanvaraisesti. Joskus jokin näistä syntyvistä pulsseista voi hetkellisesti olla teholtaan alkuperäistä pulssia suurempi, vaikka kokonaisenergia on toki pienempi. Näitä tapauksia kutsutaan optisiksi hyökyaalloiksi (eng. optical rogue waves).

Ilmiön ymmärtäminen vaatii, että havainnointia tehdään tapaus kerrallaan erittäin suurelle määrälle tapauksia. Väitöskirjatyössään Mikko Närhi tutki esimerkiksi ultranopeiden laserpulssien hajoamista aikalinssillä, joka pystyy suurennuslasin tavoin suurentamaan pulssit mitattavaan aikaskaalaan.

– Mielenkiintoisen tutkimusaiheesta tekee se, että samat matemaattiset yhtälöt, jotka kuvaavat pulssin etenemistä kuidussa, soveltuvat muun muassa meren aaltojen kuvaamiseen. Oivaltaessamme jotain perustavanlaatuista valopulsseista, kuten poikkeuksellisen voimakkaiden pulssien synnyn syyn, tulemme samalla ymmärtäneeksi jotain myös hyökyaaltojen muodostumisesta, Närhi kuvailee. Kokeelliset järjestelyt optiikassa ovat kuitenkin merkittävästi helpompia kuin laajoja resursseja vaativa merentutkimus, hän jatkaa.

Uudet mittaustekniikat mahdollistavat teoreettisten tulosten vertaamisen kokeisiin ja voivat tulevaisuudessa mahdollistaa esimerkiksi syvän meren hyökyaaltojen varoitusjärjestelmiä laivoihin tai laserien paremman suunnittelun. Lisäksi Närhi osoitti väitöskirjatyössään, kuinka epälineaarisen systeemin herkkyyttä alkutilanteeseen voidaan myös hyödyntää optisten signaalien vahvistamisessa.

Väitöstilaisuus perjantaina 24.11.2017

Diplomi-insinööri Mikko Närhen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja ”Measurements of Noise-seeded Dynamics in Nonlinear Fiber Optics” tarkastetaan Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) teknis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa perjantaina 24.11.2017 kello 12 alkaen Rakennustalon salissa RG202 (Korkeakoulunkatu 3, Tampere). Vastaväittäjänä toimii professori Jérome Kasparian Genèven yliopistosta. Tilaisuutta valvoo professori Goëry Genty TTY:n fotoniikan laboratoriosta.

Mikko Närhi, 29, on kotoisin Tampereelta ja työskentelee tällä hetkellä tuotekehitysinsinöörinä NKT Photonicsilla Tanskassa.

Väitöskirjaan voi tutustua verkossa osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-15-4060-8

Lisätietoja: Mikko Närhi, puh. +358 40 7289219 tai +45 5219 2903, mikko.narhi@tut.fi / mikkonarhi@gmail.com

Uutisen jättäjä: Tuuli Laukkanen
Asiasanat: tiede ja tutkimus, valo, fysiikka,